Mittelspannungs-Lasttrennschalter

Die Erfindung betrifft einen Mittelspannungs-Lasttrenn- schalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Substitution des Isoliergases Schwefelhexafluorid (SF ₆₎ , das wegen seines hohen Treibhauspotenzials durch Alternativen ersetzt werden soll, werden verschiedene elektrisch isolie rende Gase bzw. Flüssigkeiten untersucht. Insbesondere werden im Stand der Technik fluororganische Verbindungen beschrie ben, unter denen insbesondere die Fluorketone und die Fluor nitrile hervorgehoben werden. Aufgrund einer möglichen Toxi zität von Fluornitrilen und aufgrund eines ungünstigen Aggre gatszustandes der Fluorketone bei Betriebsbedingungen von Isoliergasen in Stromunterbrechern, werden jedoch auch Luft, synthetische Luft oder Mischungen aus natürlichen Gasen wie Kohlenstoffdioxid, Stickstoff oder Sauerstoff eingehend un tersucht. Zum derzeitigen Stand haben die beschriebenen Al ternativgase zwar ihre grundsätzliche Eignungsfähigkeit als Ersatz für das sehr gut isolierende Schwefelhexafluorid unter Beweis gestellt, dennoch bieten sie letztlich nicht in ihrer Gesamtheit die positiven, insbesondere elektrisch isolieren den Eigenschaften des Schwefelhexafluorids. Aus diesem Grund bedarf es in einigen Anwendungen von Stromunterbrechern auch konstruktiver Änderungen im System, um dasselbe Isolierver halten bzw. auch dasselbe Lichtbogenlöschverhalten zu erzie len wie das mit einem Stromunterbrecher mit einer SF ₆ - Isolierung der Fall ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Mittelspan- nungs-Lasttrennschalter bereitzustellen, der mit einem zum SF ₆ alternativen Isoliermedium betreibbar ist, jedoch das gleiche Lichtbogenlöschverhalten an den Tag legt, wie ein herkömmlicher SF ₆ -betriebener Lasttrennschalter und dabei grundsätzlich mit einem Antriebsaggregat betreibbar ist, das ebenfalls einer herkömmlichen Größe entspricht. Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Mittelspannungs- Lasttrennschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Der erfindungsgemäße Mittelspannungs-Lasttrennschalter gemäß Patentanspruch 1 weist zwei zueinander beweglich gelagerte Kontakte auf. Einer der Kontakte ist dabei als Hohlkontakt ausgestaltet, der Teil eines Hohlkontaktsystems ist. Ferner ist eine Isolierstoffdüse vorgesehen, die mindestens einen der beiden Kontakte umgibt, wobei die Isolierstoffdüse ein Selbstblasvolumen zur Aufnahme eines Isoliergases aufweist, wobei das Selbstblasvolumen wiederum eine Öffnung aufweist, die zu einem Lichtbogenraum hin gerichtet ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Hohlkontakt eine Kontakt bohrung zur Aufnahme eines Stiftkontaktes umfasst, die an ei ner ersten Seite in den Lichtbogenraum mündet und an einer zweiten Seite mit einem Kompressionsvolumen in Verbindung steht, das ebenfalls Bestandteil des Hohlkontaktsystems ist. Das Kompressionsvolumen ist an einer der Kontaktbohrung abge wandten Seite von einem bezüglich des Hohlkontaktsystems be weglich gelagerten Stempel begrenzt. Der Stempel vollzieht bei einer Öffnungsbewegung der Kontakte eine translatorische Bewegung bezüglich des Hohlkontaktsystems , was eine Verklei nerung des Kompressionsvolumens bewirkt.

Die Kombination der beschriebenen Merkmale bewirkt, dass durch die Verkleinerung des Kompressionsvolumens Isoliergas, das in dem Kompressionsvolumen vorhanden ist, durch die Kon taktbohrung in den Lichtbogenraum strömt, wobei dieses Iso liergas einerseits einen dort vorhandenen Lichtbogen kühlt, sich dabei erhitzt und in das Selbstblasvolumen, das in der Isolierstoffdüse vorhanden ist, einfließt. Ab Erreichen eines kritischen Drucks und einer kritischen Temperatur sowohl im Lichtbogenraum als auch in dem Selbstblasvolumen strömt die ses Isoliergas zurück in den Lichtbogenraum und kühlt diesen, sodass es beim darauffolgenden Nulldurchgang eines Wechsel stroms zu einem Erlöschen des Lichtbogens kommt. Die Erfin dung reduziert die notwendige mechanische Energie zur Auf- bringung eines Beblasungsdrucks, der notwendig ist, um den Lichtbogen zu beblasen, sodass die Energie des Lichtbogens selbst in Kombination mit einer Beblasung aus dem Kompressi onsvolumen zum Druckaufbau genutzt wird. Durch die Positio nierung des Selbstblasvolumens in der Isolierstoffdüse wird dabei durch die entsprechende Gasströmung die Ausschaltleis- tung positiv beeinflusst. Die Erfindung reduziert im Weiteren den zur Beblasung und damit zur erfolgreichen Löschung des Schaltlichtbogens aufzubringenden mechanischen Aufwand dadurch, dass der Energieeintrag des Schaltlichtbogens zur Lichtbogenlöschung eingesetzt wird. Gleichzeitig wird im Selbstblasvolumen Gas aus der Beblasung aus dem Kompressions volumen, das durch den Stempel reduziert wird, auf einer Kon taktseite aufgestaut und so ein zusätzlicher Beblasungsdruck in diesem Selbstblasvolumen erzeugt.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Hohlkontakt system bei einer Öffnungsbewegung der Kontakte stationär aus gestaltet und der Stempel ist dabei zur Ausführung der trans latorischen Bewegung gegenüber des Hohlkontaktsystems mit ei nem Antriebssystem in Verbindung. Da das Hohlkontaktsystem eine größere Masse aufweist als der in den Hohlkontakt ein greifende Stiftkontakt ist es zweckmäßig, den Stiftkontakt zu bewegen, da dies weniger Antriebsenergie erfordert. Daher ist das Hohlkontaktsystem bzw. der Hohlkontakt an sich als Fest kontakt ausgestaltet. Der Stempel ist dabei mit dem Antrieb verbunden, in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung stehen der Stempel und der Stiftkontakt über eine mechanische Vorrichtung mit einem einzigen Antriebsag gregat in Verbindung.

Der Hohlkontakt ist in bevorzugter Ausgestaltungsform als an zuwendender Tulpenkontakt ausgestaltet, der an seiner Öffnung eine Abrundung aufweist, was dazu geeignet ist, einen eben falls abgerundeten Stiftkontakt selbstzentrierend aufzuneh men, sodass in einem geschlossenen Zustand des Lasttrenn schalters der Stiftkontakt zumindest teilweise in die Kon taktbohrung des Hohlkontaktes eingreift. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfin dung ist die Isolierstoffdüse um den Hohlkontakt herum ange ordnet und umgibt diesen dabei bevorzugt konzentrisch. Die Selbstblasvolumina (grundsätzlich ist ein Selbstblasvolumen ausreichend, in der Regel sind jedoch mehrere Selbstblasvolu mina von Vorteil) sind mit ihren Öffnungen dabei sehr nahe am Rand des Hohlkontaktes angeordnet, sodass in einer bevorzug ten Ausgestaltungsform ein Teilbereich des Hohlkontaktes, be vorzugt ein äußerer Rand des Hohlkontaktes, wiederum einen Teil der Öffnung des Selbstblasvolumens bildet.

Weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung und weitere Merk male werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Da bei handelt es sich um rein schematische und exemplarische Darstellungen, die keine Einschränkung des Schutzbereichs darstellen. Dabei zeigen:

Figur 1 einen Querschnitt durch einen Mittelspannungs-

Lasttrennschalter mit Kompressionsvolumen im Hohlkontaktsystem und Selbstblasvolumen während des Auftretens eines Schaltlichtbogens ,

Figur 2 der gleiche Lasttrennschaler gemäß Figur 1 mit verringertem Kompressionsvolumen und gelöschtem Schaltlichtbogen, und

Figur 3 eine schematische Darstellung der Löscheigen

schaften in Abhängigkeit des Druckes.

In Figur 1 sind schematisch die Kontakte eines Mittelspan- nungs-Lasttrennschalters 2 dargestellt. Der Einfachheit hal ber wird auf die Darstellung von Peripheriesysteme sowie das Gehäuse des Lasttrennschalters 2 verzichtet. In Figur 1 sind lediglich ein Hohlkontaktsystem 6, das einen Hohlkontakt 4, der als Tulpenkontakt 5 ausgestaltet ist, sowie ein Stiftkon takt 18 und eine den Hohlkontakt 5 umgebenden Isolierstoffdü se 8 dargestellt. Das Hohlkontaktsystem 6 umfasst dabei neben dem Hohlkontakt 4 und eine Isolierstoffdüsenhalterung 28 ein Gehäuse 44, in das der Hohlkontakt 4 eingebracht ist und das zumindest teilweise ein Kompressionsvolumen 20 umschließt.

Der Hohlkontakt 4 weist dabei, wie dies bereits der Name sagt, eine Kontaktbohrung 16 auf, die an einer ersten Seite mit einem Lichtbogenraum in Verbindung steht und an ihrer zweiten Seite, dem Lichtbogenraum 14 abgewandten Seite in das Kompressionsvolumen 20 mündet.

Ferner ist ein Stempel 24 vorgesehen, der das Kompressionsvo lumen 20 an einer der Kontaktbohrung 16 abgewandten Seite 22 begrenzt. Der Stempel 24 vollzieht bei einer Öffnungsbewegung der Kontakte 4, 18 eine translatorische Bewegung in Richtung des Pfeiles 26. Durch diese translatorische Bewegung 26 wird das Kompressionsvolumen 20 verringert, was durch die gestri chelte Andeutung des Stempels 24 in Figur 2 dargestellt ist. Durch die Bewegung des Stempels 24 und die Verringerung des Kompressionsvolumens 20 wird ein Isoliergas, das in Figur 2 durch einen Kaltgasstrom 32 veranschaulicht ist, durch die Kontaktbohrung 16 in den Lichtbogenraum 14 gepresst. Dort spaltet sich der Kaltgasstrom 32 auf, ein Teil davon ist di rekt auf den Schaltlichtbogen 30 gerichtet und kühlt diesen dabei. Ein Teilstrom 34 des Kaltgasstromes verläuft dabei je doch in Richtung des Selbstblasvolumens, wodurch es in dem Selbstblasvolumen 10 zu einem Druckanstieg kommt. Der Druck anstieg im Selbstblasvolumen 10 resultiert zum einen aus der dort ansteigenden Gasmenge, und zum anderen auch durch die erhöhte Temperatur des dort einströmenden ehemaligen Kaltga ses, das bereits durch den Schaltlichtbogen 30 erwärmt ist. Die Energie des Schaltlichtbogens 30 wird somit zur Erwärmung des ehemaligen Kaltgases 32 verwandt, was den Druck im

Selbstblasvolumen 10 bis zu einem kritischen Druck P _k anstei- gen lässt. Bei Erreichen des kritischen Druckes P _k im Selbst blasvolumen 10 kommt es zu einer Umkehr des Gasstromes aus dem Selbstblasvolumen heraus, was zu einer verstärkten Bebla sung des Schaltlichtbogens 30 führt und durch den Pfeil 36 in Figur 2 veranschaulicht ist. In Figur 3 ist rein schematisch ein Diagramm dargestellt, das auf experimentellen Messwerten beruht, das hier jedoch rein qualitativ dargestellt ist. Auf der X-Achse ist dabei ein Be blasungsdruck P angegeben, auf der Y-Achse ist die durch den Mittelspannungslasttrennschalter bei einem Beblasungsdruck P unterbrechbare maximale Stromsteilheit des Wechselstroms im Stromnulldurchgang (di/dt _krit ) dargestellt. Diese ist ein Maß für die Schaltleistung des Mittelspannungslasttrennschalters. Ein höherer Wert bedeutet eine höhere Ausschaltleistung . Die Kurve 48 zeigt qualitativ den Verlauf dieser unterbrechbaren Stromsteilheit bei einer Beblasung des Schaltlichtbogens 30 durch den Hohlkontakt 4 aufgrund der Verkleinerung des Kom pressionsvolumens 20. Bei der Aufnahme dieser Kurve 48 wurde auf die Anwendung von Selbstblasvolumina 10 verzichtet. Es ist ein kontinuierlicher Anstieg der Ausschaltleistung mit steigendem Beblasungsdruck P zu verzeichnen. Ein noch deutli cherer Anstieg der Ausschaltleistung ist jedoch in der quali tativ dargestellten Kurve 46 zu verzeichnen, die unter Ver wendung von Selbstblasvolumina und ansonsten gleichen Bedin gungen, wie in Figur 1 und 2 dargestellt, aufgenommen ist. Dies zeigt, dass das Zusammenwirken der Selbstblasvolumina 10 und des Stempels 24, der das Kompressionsvolumen 20 reduziert und somit das Beblasen des Schaltlichtbogens 30 vornimmt, zu einer signifikanten Steigerung der Ausschaltleistung führt, was ein Maß für die effektive Löschung des Schaltlichtbogens 30 darstellt.

Bevorzugt ist eine in den Figuren nicht dargestellte An triebseinheit vorgesehen, die so ausgestaltet ist, dass der Stempel 24 und der Bewegkontakt 18 durch eine zentrale An triebseinheit bewegt wird. Der Stiftkontakt 18 und der Stem pel 24 stehen dabei über eine ebenfalls nicht dargestellte mechanische Umlenkeinheit in Verbindung, sodass die transla torische Bewegung 26, die im Wesentlichen auch der translato rischen Bewegung des Stiftkontaktes 18 entspricht, synchron ausgeführt wird. Somit kann auf eine zusätzliche kosteninten sive Antriebseinheit, die zusätzlichen Bauraum benötigen wür de, verzichtet werden. Durch die gleichzeitige Bewegung des Stempels 24 mit der ohnehin notwendigen Bewegung des Stift kontaktes 18 kann dabei bereits vorhandene Antriebsenergie genutzt werden, um beide Bauteile synchron zu bewegen.

Dadurch wird die bereits vorhandene Antriebsenergie auch dazu genutzt, zusätzliches Isoliergas in den Lichtbogenraum 14 zu blasen und das Löschen des Schaltlichtbogens 30 zu beschleu nigen. Ferner wird die Energie des Schaltlichtbogens 30 noch weiter genutzt, um die Selbstblasvolumina 10 bis zu einem kritischen Druck zu füllen und einen Rückstrom aus dem

Selbstblasvolumina 10 zu bewirken. Dieser Rückstrom, der auch als Heißgasstrom 38 bezeichnet wird, trägt zusätzlich zum Lö schen des Schaltlichtbogens 30 bei.

Die Selbstblasvolumina 10 sind bevorzugt rotationssymmetrisch um den Hohlkontakt 4 in der Art angeordnet, so dass der Rand des Hohlkontaktes 4, der auch die sogenannte Tulpe bildet, bevorzugt einen Teil der Öffnung 12 des Volumens 10 dar stellt. Hierbei wird unter der Öffnung 12 des Volumens 10 nicht nur die Öffnung an sich, sondern ein Öffnungskanal ver standen, der eben teilweise von der äußeren Berandung des Hohlkontaktes 4 gebildet wird. Auf diese Weise ist die Öff nung 12 sehr nah am Entstehungsort des Schaltlichtbogens 30 angeordnet und kann damit ihre stärkste Wirkung entfalten.

Als Isoliergas werden hierbei insbesondere SF ₆ -freie Gase verwendet, wobei fluororganische Verbindungen aus den Reihen der Fluornitrile oder Fluorketone zum Einsatz kommen können. Bevorzugt werden jedoch weniger problematische und leichter handzuhabende natürliche Gase bzw. Mischungen aus diesen Ga sen verwendet. Hierbei kann zum Beispiel gereinigte Luft (Clean Air) , die bevorzugt synthetisch hergestellt wird, ver wendet werden. Je nach Verwendung des Materials der Isolier stoffdüse 8 kann es durch die Wärme des Schaltlichtbogens 30 zu einem Abbrand des Materials der Isolierstoffdüse 8 kommen, der oberflächlich von Statten gehen kann. Hierbei kann es zweckmäßig sein, dem Isoliergas Sauerstoff beizumischen, um beispielsweise entstehenden Kohlenstoff bei diesem Abbrand erneut zu binden. Die in den Figuren 1, 2, bzw. 3 beschriebenen Maßnahmen stel len somit eine Kombination dar, den Schaltlichtbogen 30 mög lichst zeitnah und mit geringem technischem Aufwand und ge- ringen Antriebsenergien zu löschen. Dabei wird einerseits auf die Maßnahme des Kompressionsvolumens 20 und die Bewegung des Stempels 24 gesetzt, was durch die Selbstblasvolumina 10, die durch die Stempelbewegung 22 zusätzlich gefüllt werden, un terstützt wird. Somit wird der zur Beblasung und erfolgrei- chen Löschung des Schaltlichtbogens 30 aufzubringende mecha nische Aufwand reduziert. Dies geschieht dadurch, dass der Energieeintrag des Schaltlichtbogens 30 zur Lichtbogenlö schung eingesetzt wird, wie bereits beschrieben ist. Gleich zeitig wird in dem Selbstblasvolumen 10 Isoliergas aus der Beblasung zugeführt, nach Erreichen einer kritischen Tempera tur zurückgeblasen und so ein zusätzlicher Beblasungsdruck aus den Selbstblasvolumina aufgebaut.

Bezugszeichenliste

2 Lasttrennschalter

4 Hohlkontakt

5 Tulpenkontakt

6 Hohlkontaktsystem

8 Isolierstoffdüse

10 Selbstblasvolumen

12 Öffnung Volumen

14 Lichtbogenraum

16 Kontaktbohrung

17 erste Seite Kontaktbohrung

18 Stiftkontakt

19 zweite Seite Kontaktbohrung

20 Kompressionsvolumen

22 Seite Kontaktbohrung abgerundet

24 Stempel

26 translatorische Bewegung

28 Isolierstoffdüsenhalter

30 Lichtbogen

32 Kaltgasstrom

34 Kaltgasstrom im Selbstblasvolumen

36 Selbstblasstrom

38 Heißgasstrom

40 Festkontakt

42 Bewegkontakt

44 Gehäuse Hohlkontaktsystem

46 Verlauf mit Selbstblasvolumen

48 Verlauf ohne Selbstblasvolumen